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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Flugzeugstruktur mit hohlen, einen Flugzeugrumpf
bildenden, tragenden Strukturelementen.
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Technologischer Hintergrund
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1 stellt
ein konventionelles Flugzeug 10 mit einem Flugzeugrumpf 11 dar.
Ein solcher Flugzeugrumpf 11 wird üblicherweise aus Strukturelementen
gebildet, die Längsspanten,
Querspanten und Querträger
umfassen. Diese Strukturelemente bilden eine zylinderartige Gitterstruktur,
die mit einer Flugzeugaußenhaut
abgedeckt ist.
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2 zeigt
einen derartigen herkömmlichen Aufbau
einer Flugzeugrumpfstruktur. In Flugzeuglängsrichtung verlaufen dabei
die Längsspanten 12 in
gewissen Abständen
und im Wesentlichen parallel zueinander. Quer zur Flugzeuglängsrichtung und
die Querschnittsform (Zylinderform) des Flugzeugrumpfs vorgebend,
verlaufen Querspanten 13, welche die Längsspanten 12 im Wesentlichen
rechtwinklig kreuzen. Die aus Längsspanten 12 und
Querspanten 13 gebildete Gitterstruktur ist durch die Flugzeugaußenhaut 14 abgedeckt.
Zwischen zwei benachbarten Querspanten 13 sind Öffnungen
für Fenster 15,
oder andere Öffnungen
für beispielsweise
Türen, Notausgänge usw.,
vorgesehen. Zwischen den Querspanten 13 und den Fensteröffnungen 15 verlaufen
im Wesentlichen parallel zu den Querspanten 13 Luftführungsschächte 16,
welche Luft zur Klimatisierung der Flugzeugpassagierkabine von einer nicht
dargestellten Klimaanlage in den Passagierraum fördern.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung von oben im Bereich der Fensteröffnungen.
Dabei ist zu erkennen, wie sich die Fensteröffnung 15 von der Rumpfaußenhaut 17 zu
einer Innenverkleidung 14 der Flugzeugpassagierkabine hin
trichterförmig
erweitert. In der Fensteröffnung 15 ist
auf der Außenseite
zunächst
ein Primärfenster 18 vorgesehen
mit einem bestimmten belüfteten
Bereich 19 dazwischen liegend folgt diesem Primärfenster 18 ein
Sekundärfenster 20.
Diesem Sekundärfenster 20 folgt
mit einem größeren belüfteten Zwischenbereich
ein Innenfenster 21. Beidseitig der trichterförmigen Fensteröffnung 15 sind
die Luftführungsschächte 16 angeordnet.
Diese Luftführungsschächte 16 liegen
von oben betrachtet jeweils zwischen den Querspanten 13 und der
Fensteröffnung 15.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Alternativen für eine Flugzeugstruktur
zu schaffen, die sich als vorteilhaft erweist.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Flugzeugstruktur gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Flugzeugstruktur bereitgestellt, mit hohlen,
einen Flugzeugrumpf bildenden, tragenden Strukturelementen, wobei
die Hohlräume
in den Strukturelementen als Luftführungsschächte für eine Klimatisierung des Flugzeugs
ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass sich dadurch Synergieeffekte
ergeben und die Strukturelemente gleichzeitig die tragende Primarstruktur
des Flugzeugs bilden sowie als Luftführung für die Klimatisierung dienen.
Dadurch kann die Rumpfdicke (Distanz von der Flugzeuginnenverkleidung
zur Flugzeugaußenhaut)
verringert werden, wodurch sich ein vergrößerter Passagierkabinendurchmesser
für einen
bestimmten Rumpfaußendurchmesser
ergibt. Ein wesentlicher Vorteil ist ferner, dass dadurch die Fenster
vergrößert werden können, was
zu einer helleren Flugzeugkabine mit angenehmerer Atmosphäre führt.
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Vorteilhafterweise
sind die Strukturelemente in diesem Zusammenhang Längsspanten,
Querspanten und/oder Querträger.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist die Flugzeugstruktur derart ausgebildet, dass sich
die Strukturelemente kreuzen und an den Kreuzungspunkten die in
den Hohlräumen vorgesehenen
Luftführungsschächte miteinander verbindbar
sind. Dadurch kann ein völlig
flexibel steuerbares Luftversorgungsnetz ausgebildet werden, welches
den Flugzeugrumpf überspannt
und viele Bereiche des Flugzeugrumpfs über die an den Kreuzungspunkten
vorgesehenen Verbindungsstellen für Klimatisierungszwecke erreichbar
macht.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei, wenn die Luftführungsschächte mittels ansteuerbaren
Stellgliedern verbindbar sind.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass in den Luftführungsschächten Steuerventile
zur Steuerung der Luftströmung
vorgesehen sind. Dadurch kann die Luftströmung und/oder der Luftdruck
in jedem Luftführungsschacht
dynamisch ausbalanciert, eingestellt und konfiguriert werden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel ist
die Flugzeugstruktur derart aufgebaut, dass die mit Luftführungsschächten versehenen
Strukturelemente ein die Flugzeugstruktur zumindest teilweise überspannendes
Netz bilden. Somit steht bereits mit Errichten der den Flugzeugrumpf
ausbildenden Flugzeugstruktur ein Netz aus Luftführungsschächten bereit, so dass ein zusätzlicher
Arbeitsschritt entfallen kann und dieses Netz aus Luftführungsschächten flexibel
einsetzbar ist. Außerdem
kann durch Integration der Luftführungsschächte in
die Strukturelemente deutlich an Gewicht für die Flugzeugstruktur eingespart
werden.
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Noch
mehr Gewicht kann dadurch eingespart werden, dass die Strukturelemente
aus Kohlefaser ausgebildet sind.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel sind
zwei Luftführungsschächte im
Hohlraum eines Strukturelements vorgesehen, die so ausgelegt sind, dass
sie Luft in entgegengesetzte Richtungen führen. Somit kann ein noch flexibleres
Netz an Luftführungsschächten zur
Klimatisierung geschaffen werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
ein Flugzeug mit einer Flugzeugstruktur gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele
bereitgestellt. Dieses Flugzeug bietet den Vorteil, dass es weniger
Leergewicht als ein bisheriges Flugzeug hat, wodurch wiederum die
zu befördernde
Nutzlast erhöht
werden kann. Dadurch ist das so geschaffene Flugzeug wirtschaftlicher
für den
Flugzeugbetreiber.
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Im
Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt
ein Flugzeug mit einem aus Primärstrukturelementen
gebildeten Flugzeugrumpf
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2 zeigt
einen herkömmlichen
Flugzeugstrukturaufbau;
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung von oben im Bereich der Fensteröffnungen;
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4a zeigt
einen Kreuzungspunkt aus Längsspant
und Querspant gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4b zeigt
eine Schnittdarstellung entlang der in 4a eingezeichneten
Linie A-A;
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung von oben im Fensterbereich gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; die
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6a–6d zeigen
einen Kreuzungspunkt aus Querspant und Längsspant gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 zeigt
einen Kreuzungspunkt von Querspant, Längsspant und Querträger gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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8 zeigt
einen Abschnitt des Flugzeugrumpfs mit den integrierten Luftführungsschächten gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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4a zeigt
einen Kreuzungspunkt von Längsspant 100 und
Querspant 101. Wie bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben,
verlaufen in Flugzeuglängsrichtung
Längsspanten 100 und
im Wesentlichen rechtwinklig dazu Querspanten 101. Diese
Querspanten 101 geben im Wesentlichen die Außenform
des Rumpfquerschnitts vor und verlaufen bogenförmig um eine Längsachse
des Flugzeugs 10. Quer zur Flugzeuglängsrichtung und in der Horizontalen
(bezogen auf das am Boden stehende Flugzeug) verlaufen Querträger 102,
auf denen beispielsweise ein Kabinenboden oder ein Frachtraumboden montierbar
ist. Üblicherweise
verlaufen im Flugzeugbau einige Längsspanten 100 parallel
zueinander in Flugzeuglängsrichtung.
Diese Strukturelemente 100, 101 und 102 können aus
Metall, Metallmatrix-Verbundwerkstoffen oder Verbundmaterialien,
wie beispielsweise Kohle- oder Glasfaser verstärkten Epoxidharzen hergestellt
sein. Diese Strukturelemente 100, 101 und 102 sind
sogenannte Primärstrukturelemente,
die die auf den Flugzeugrumpf 11 wirkenden Kräfte aufnehmen,
also tragende Bauteile sind.
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4b stellt
eine Schnittdarstellung entlang der in 4a eingezeichneten
Linie A-A dar, wobei der
Schnitt im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Querspants 101 verläuft. In 4b ist
der Querspant 101 dargestellt, dessen Wandung die auf den
Rumpf wirkenden Kräfte
aufnimmt und für
die Stabilität
des Flugzeugrumpfs 11 sorgt. Der bogenförmige Querspant 101 hat
im Querschnitt eine im Wesentlichen rechteckige Form mit abgerundeten Ecken,
dessen Inneres hohl ist. Der im Inneren des Querspants 101 befindliche
Hohlraum bildet einen Luftschacht 103, der eine Luft für Klimatisierungszwecke
von einer nicht dargestellten Klimaanlage in einen Flugzeugpassagierraum
(und/oder einen Frachtraum) transportiert.
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5 zeigt
eine Schnittdarstellung von oben im Bereich einer Fensteröffnung 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Zwischen einer Rumpfaußenhaut 104 und einer
Kabineninnenverkleidung 105 erstreckt sich im Wesentlichen
trichterförmig
eine Fensteröffnung 106.
Die Fensteröffnung 106 ist
auf der Rumpfaußenseite,
im Wesentlichen bündig
zur Rumpfaußenhaut 104,
mit einem Primärfenster 107 versehen.
Benachbart zum Primärfenster ist
ein Sekundärfenster 108 angeordnet,
wobei zwischen Primärfenster 107 und
Sekundärfenster 108 ein
belüfteter
Bereich 109 ausgebildet ist. Auf der Innenseite, d. h.
zum Passagierraum hin, ist ein Innenfenster 110 angeordnet,
wobei zwischen Sekundärfenster 108 und
Innenfenster 110 ein belüfteter Bereich vorgesehen ist.
Beidseitig der Fensteröffnung 106 verlaufen
die erfindungsgemäßen Querspanten 101 mit
den darin ausgebildeten Luftführungen 103. Die
Luftführungen 103 können dabei
so ausgebildet sein, dass die Wandung des Querspants 101 die
Luft führt,
wie dies in 5 im rechts dargestellten Querspant 101 vorgesehen
ist. Ferner können
die Luftführungen 103 so
ausgebildet sein, dass sie eine eigene Wandung aufweisen, so dass
auch mehrere Luftführungen 103 innerhalb
eines Hohlraums eines Querspants 101 vorgesehen sein können, wie
dies bei dem in 5 links dargestellten Querspant 101 der Fall
ist. Solche Luftführungen 103 können so
ausgebildet sein, dass beispielsweise zwei Luftführungen 103 innerhalb
eines Querspants 101 vorgesehen sind, die rohrförmig sind
und von denen eine der zwei Luftführungen 103 Luft in
eine Richtung führt
und die andere der beiden Luftführungen 103 Luft
in die entgegengesetzte Richtung führt. Der vorstehend beschriebene
Aufbau kann auch im Bereich von Türen oder Notausgängen vorgesehen
sein, d. h. die Fensteröffnung 106 kann
auch eine Öffnung
für eine
Tür oder
einen Notausgang sein.
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Als
weitere vorteilhafte Weiterentwicklung können in das Material der Strukturelemente 100, 101 und 102 insbesondere
optische, aber auch elektrische Leitungen 112, eingebettet
sein. Alternativ dazu können
diese Leitungen auch auf den Strukturelementen angeordnet und fest
mit diesen verbunden sein. Dadurch ist eine weitere funktionelle
Weiterentwicklung geschaffen, durch welche die Strukturelemente
neben ihrer tragenden Funktion auch die Funktion zur Luftführung und
zur Leitung von Strom, Daten, usw. übernehmen. Dies spart Arbeitsschritte ein,
da bereits mit Fertigstellung der Rumpfstruktur diese Funktionalitäten realisiert
sind.
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Die 6a bis 6d zeigen
verschiedene Stellungen eines schematisch dargestellten Stellgliedes,
welches an einem Kreuzungspunkt aus Längsspant 100 und Querspant 101 angeordnet
ist. Dabei ist das Stellglied 111 schematisch als zwei
verschwenkbare Klappen dargestellt, deren Stellung ermöglicht,
einen Luftstrom 113 je nach Bedarf von dem in einem Querspant 101 angeordneten
Luftführungsschacht 103 kommend
in einen in einem Längsspant 100 vorgesehenen
Luftführungsschacht 103 umzulenken
oder umgekehrt. Der dabei umgelenkte Luftstrom ist in den 6a bis 6d als
Pfeil 113 dargestellt. Oder aber, das Stellglied 111 ist
so ausgerichtet, dass keine Umlenkung stattfindet und der Luftstrom
an dem Kreuzungspunkt in dem jeweiligen Längsspant 100 oder
Querspant 101 weitergeführt wird.
Hinsichtlich der Steuerbarkeit des Systems wäre ideal, wenn an jedem Kreuzungspunkt
aus Längsspant 100 und
Querspant 101 ein solches Stellglied 111 vorgesehen
wäre, jedoch
wird in der Praxis ein Kompromiss aus Steuerbarkeit und akzeptablem
Flugzeugleergewicht gefunden werden müssen, da mit jedem Stellglied
das Leergewicht des Flugzeugs erhöht wird. Als Stellglied 111 können dabei
beispielsweise Flügelventile
zum Einsatz kommen.
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7 zeigt
einen Kreuzungspunkt von Querspant 101, Längsspant 100 und
Querträger 102 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. An einem derartigen Kreuzungspunkt kann ein Stellglied 114 in
den jeweiligen Luftführungsschächten 103 vorgesehen
sein, welches ebenfalls als Flügelventil
ausgeführt
ist. Das Stellglied 114 kann einen Luftstrom von einem
Querträger 102 in
einen Querspant 101 oder in einen Längsspant 100 umleiten
oder umgekehrt. Ferner kann das Stellglied 114 einen Luftstrom von
einem Längsspant 100 in
einen Querspant 101 oder einen Querträger 102 umleiten oder
umgekehrt.
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8 zeigt
einen Abschnitt des Flugzeugrumpfs 11 mit den integrierten
Luftführungsschächten 103 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich wird aus Längsspanten 100,
Querspanten 101 und Querträgern 102 eine Gitterstruktur
gebildet, welche die Form des Flugzeugrumpfs vorgibt. In sämtlichen Strukturelemente 100, 101 und 102 sind
dabei in erfindungsgemäßer Weise
die Luftführungsschächte 103 integriert.
An einigen oder allen Kreuzungspunkten dieser Strukturelemente 100, 101 und 102 sind Stellglieder 111 oder 114 vorgesehen,
die aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht mehr eingezeichnet sind. Zusätzlich ist ein variables Steuerventil 115 in den
Luftführungsschächten 103 vorgesehen,
wobei aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur ein einziges Steuerventil 115 in 8 schematisch
angedeutet ist. Dieses Steuerventil 115 steuert den Strömungsquerschnitt
des jeweiligen Luftführungsschachts 103 und
dient zum Steuern der Luftströmung
und/oder des Luftdrucks in dem jeweiligen Luftführungsschacht 103.
Ein einziges oder mehrere solcher Steuerventile 115 sind
vorzugsweise in jedem Längsspant 100,
jedem Querspant 101 und jedem Querträger 102 vorgesehen
und zwar vorzugsweise an der Stelle, an der dem jeweiligen Luftführungsschaft 103 Luft
zugeführt
wird oder kurz nach einem Kreuzungspunkt. Auch bei den Steuerventilen 115 wird
in der Praxis ein Kompromiss aus Steuerbarkeit und Gewichtsoptimierung
des Flugzeugs gefunden werden müssen.
Das Steuerventil 115 ist vorzugsweise ein Venturiventil,
das im Querschnitt des Luftführungsschachts 103 angeordnet
ist. Die Stellglieder 111 und 114 dienen demnach
zur Steuerung, wie ein Luftstrom geführt werden soll und ob ein
Luftführungsschacht überhaupt
durchströmbar
ist und die Steuerventile 115 dienen zur Einstellung der
Strömung
im jeweiligen Luftführungsschacht 103.
Die Funktionalitäten
dieser Stellglieder/Steuerventile können auch kombiniert werden,
so dass an den Kreuzungspunkten von Strukturelementen 100, 101, 102 Steuerelemente.
vorgesehen werden, mit denen die beschriebenen Funktionalitäten vereint
werden.
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Somit
ist idealerweise durch das beschriebene Ausführungsbeispiel ein die komplette
Passagierkabine überspannendes
Netz aus in Strukturelemente 100, 101, 102 integrierten
Luftführungsschächten 103 geschaffen,
welches mittels einer Steuereinheit, die mit den Stellgliedern 111, 114 und
den Steuerventilen 115 gekoppelt ist, kundenabhängig programmierbar
und konfigurierbar ist. Es kann somit bequem durch die Änderung
der Ansteuerung der Stellglieder 111, 114 und
der Steuerventile 115 die Klimatisierung und Luftströmungsverteilung
in der Passagierkabine verändert
und angepasst werden, ohne dass Umbaumaßnahmen erforderlich wären. Dies
ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine Änderung der Konfiguration der
Passagierkabine (Umstellung von Sitzabständen, veränderte Platzierung von Küchen, Toiletten,
usw.). Bei einer derartigen Änderung
der Konfiguration kann die Klimatisierung und Luftverteilung bei
entsprechender Programmierung der Steuereinheit bequem per Knopfdruck
dieser neuen Konfiguration angepasst werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines
der obigen Ausführungsbeispiele
bzw. einer Ausführung
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer
obiger Ausführungsbeispiele
verwendet werden können.